Hidrofiliteyi arttırmak karbon siyahı Toz parçacıklarının suda dağılma kararlılığını artırmak ve polar ortamlarla uyumluluğunu artırmak için bu, kaplamalar, mürekkepler ve kauçuk kompozitler gibi alanlarda hayati önem taşır.
Yüzey Kimyasalı Değişiklik
Oksidasyon Modifikasyonu
- Gaz fazı oksidasyonu: Ozon, oksijen veya plazma işlemi, oksijen içeren fonksiyonel grupların (karboksi ve hidroksil grupları gibi) dokuya sokulması için kullanılır. karbon siyahı Örneğin, oksijen plazma işlemi yüzeydeki oksijen içeriğini önemli ölçüde artırır, temas açısını 40°'nin altına düşürür ve dispersiyon kararlılığını iyileştirir.
- Sıvı faz oksidasyonu: Nitrik asit ve hidrojen peroksit gibi oksitleyici maddeler kullanılır. Nitrik asit oksidasyonu (70°C'de 3 saat boyunca 10% konsantrasyonu) yüzeydeki organik maddeleri etkili bir şekilde uzaklaştırır ve hidrofiliteyi artırır.
- Anodik oksidasyon/Plazma oksidasyonu: Elektriksel alanda oksidasyon reaksiyonlarını hızlandırarak, geleneksel yöntemlere kıyasla verimliliği 30%'den fazla artırır. Ancak, oksijen içeren grupların aşırı oksidasyonunu ve ayrışmasını önlemek için sıcaklık kontrolü gereklidir.
Aşılama Modifikasyonu
- Poliakrilik asit aşılama: pH=3'te 0.5% amonyum persülfat başlatıcısının 2 saat süreyle kullanılmasıyla karbon siyahının sudaki dispersiyon kararlılığı 50% oranında iyileşir.
- Sülfonik asit grupları içeren kopolimerler (sodyum 2-akrilamido-2-metilpropansülfonat gibi): Elektrostatik itme yoluyla dispersiyonu artırmak için güçlü hidrofilik gruplar sunar.
- Serbest radikal polimerizasyon aşılama: Ultrasonik radyasyon altında hidrofilik polimerler (poliakrilik asit ve sodyum polistiren sülfonat gibi) karbon siyahı yüzeyine aşılanır.
- Tarak benzeri kopolimer aşılama: π-π konjugasyonu yoluyla karbon siyahı yüzeyine adsorbe etmek için sodyum polietilen sülfonat (PSS) kullanılır ve ardından 12 saatlik bilyalı öğütme işlemi gerçekleştirilir. Elde edilen karbon siyahı dispersiyonu stabildir ve kauçuk ıslak harmanlama için uygundur.
Fiziksel Kaplama ve Dağıtıcı Değişiklik
Polimer Kaplama
- Mikroemülsiyon polimerizasyon kaplamasıÖrneğin, karbon siyahı tozunu kaplamak için polietilen glikol türevleri veya anyonik yüzey aktif maddeler (AKN-2290 gibi) kullanılır. Karbon siyahının yüzey aktif maddeye oranı 1:0,05–1'dir ve yüksek hızlı kesme işlemi hidrofilik bir kabuk oluşturur.
- Faz ayırma kaplaması:Hidrofobik karbon siyahı, arayüz öz montajı yoluyla hidrofilik polimerlerle (polivinil alkol gibi) kaplanır ve >95% aktivasyon verimliliğine sahip bir çekirdek-kabuk yapısı oluşturulur.
Dağıtıcı Uygulaması
- Anyonik/İyonik olmayan yüzey aktif maddelerÖrnekler arasında sodyum dodesil sülfat ve O serisi (O-10 ila O-35) bulunur. Bunlar, karbon siyahının yüzey gerilimini azaltarak ıslanabilirliği artırır.
- Silan birleştirme ajanları: Si-69 (TESPT) gibi örnekler, genellikle şu amaçlar için kullanılır: beyaz karbon siyahı, karbon siyahı tozunu, hidrofobik grupları karbon siyahıyla birleştirerek ve hidrofilik grupları açığa çıkararak modifiye etmek mümkündür, ancak bu işlem daha maliyetlidir.
Proses Optimizasyonu ve Yardımcı Teknikler
Mekanik-Kimyasal Tedavi
- Bilyalı değirmen aktivasyon: Karbon siyahının sodyum polistiren sülfonat (PSS) ile 12 saat bilyalı öğütülmesi. Mekanik kuvvet agregaları parçalarken, PSS π-π adsorpsiyonu yoluyla hidrofilisiteyi artırır. Bu yöntem, doğal kauçuk kompozitler için idealdir.
- Ultrasonik ışınlama: Aşılama reaksiyon süresini 50% oranında azaltır, enerji tüketimini düşürür ve aşırı ısıdan kaynaklanan grup ayrışmasını önler.
Plazma Tedavisi
- Vakum koşulları altında oksijen plazma işlemi, 5 dakika içerisinde yüzey oksijen fonksiyonel gruplarını artırarak, kirletici madde oluşumu olmaksızın dispersiyonu (D değeri) 30%'ye kadar artırır.
Tuzla İndüklenen Montaj
- İz katyonların (Li⁺ veya Na⁺ gibi) eklenmesi, katyon-π etkileşimleri yoluyla karbon siyahı ve su arasındaki arayüz afinitesini artırır. Temas açısı histerezisi etkisi önemlidir ve bu da onu su bazlı sistemler için uygun hale getirir.
Uygulama Doğrulama ve Performans Optimizasyonu
- Kauçuk Kompozitler:Hidrofilik karbon siyahı, lateks karıştırmada kullanıldığında 40%'ye göre yırtılma mukavemetini artırır ve dolgu maddesinin dağılım homojenliğini büyük ölçüde artırır.
- Su Bazlı Mürekkepler/Kaplamalar: Poliakrilik asitle aşılanmış karbon siyahı şunları iyileştirir: parçacık boyutu stabilite, mürekkep püskürtmeli baskı sırasında tıkanıklığı azaltır.
- Çevresel Hususlar: Kapalı granülasyon sistemleri, egzoz gazı geri kazanımı ile birleştirildiğinde toz emisyonlarını %'den fazla azaltır.
Çözüm
Karbon siyahı tozunun hidrofilikliğini artırmanın özü, polar fonksiyonel grupların eklenmesi ve sterik engellemenin artırılmasıdır. Düşük maliyetli senaryolar için oksidasyon modifikasyonu (sıvı faz nitrik asit oksidasyonu) veya yüzey aktif madde kaplaması tercih edilir. Yüksek performans gereksinimleri için, poliakrilik asit veya tarak benzeri kopolimerlerle ultrasonik destekli aşılama ve bilyalı öğütme idealdir. Çevre dostu prosesler için, Si-69 bağlayıcı ajanlarla birleştirilmiş oksijen plazma işlemi hem verimlilik hem de çevresel faydalar sağlar.